[发明专利]一种基于HMM/KF稳态反馈的数字滤波方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种针对惯导系统中光纤陀螺信号的基于隐马尔科夫模型的卡尔曼滤波器稳态反馈的数字滤波方法。

背景技术

惯性导航系统(Inertial Navigation System，简称INS)已广泛应用于国防等各个领域。随着惯性技术的发展，光学传感器成为新一代的惯性测量元件，尤其是光纤陀螺(Fiber Optic Gyroscope，简称FOG)凭借其体积小、重量轻、易维护和良好的性价比等优势，成为中低精度惯性导航系统的首选惯性测量元件。惯性元件的输出精度将直接关系到导航系统的精度，因此在满足惯性导航系统实时性要求的同时，要想办法提高惯性元件的输出精度。本发明通过对光纤陀螺噪声信号的特点的分析，提出了一种采用基于隐马尔科夫模型的卡尔曼滤波器(Hidden markov Model/Kalman Filter,简称HMM/KF)与数字滤波器相结合的方法对光纤陀螺的高频噪声做处理，既满足了系统实时性的要求，又提高了系统的精度和稳定性。

传统的卡尔曼滤波器以光纤陀螺的实时采样输出信号为观测状态，通过对光纤陀螺随机误差信号的统计特性分析设定滤波参数矩阵初值，在光纤陀螺误差信号不确定的情况下，卡尔曼滤波器的稳定性不强，从而引入基于隐马尔科夫概率统计模型的卡尔曼滤波器来提高滤波稳定性。此方案虽然实时性好，在精度上却难以有所提高。考虑到经典的数字滤波器的精度在很大程度上取决于滤波截止频率的选取，传统的方法是通过对输出信号做频谱分析，通过频谱图大致选取合适的截止频率，本发明是在数字滤波器的基础上，通过将HMM/KF的稳态模型等效数字化，获取等效数字滤波器的单位脉冲响应函数，从而智能的为所选取的数字滤波器选取最佳截止频率，改善对光纤陀螺原始输出信号的滤波精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于提高惯导系统的导航精度，实时性更好的针对惯导系统中光纤陀螺信号的基于HMM/KF稳态反馈的数字滤波方法。

本发明的目的是这样实现的：

（1）对光纤陀螺的采样输出信号建立二阶HMM/KF滤波方程，其中，光纤陀螺的输出信号系统状态方程为：

X_k＝F_k,k-1X_k-1+ε_k-1，

系统量测方程为：

Z_k＝H_kX_k+υ_k，

X_k为系统状态，ε_k表示系统噪声，Q_k为系统噪声序列的方差阵；Z_k为量测状态；υ_k表示量测噪声，R_k为量测噪声序列的方差，Fk/k-1=1001]]>为系统转移矩阵，Hk=1001]]>为观测矩阵；

HMM/KF滤波方程：